JP2019029321A

JP2019029321A - 接触器

Info

Publication number: JP2019029321A
Application number: JP2017151149A
Authority: JP
Inventors: 仁徳永; Hitoshi Tokunaga
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-08-03
Filing date: 2017-08-03
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2037-08-03
Also published as: JP6864579B2

Abstract

【課題】主接点投入時における電磁石の固定鉄心と可動鉄心との衝撃を緩和しながらも、小型化し得る接触器を提案する。【解決手段】本発明においては、電磁石の固定鉄心と、操作部の可動鉄心との間に、磁性体を含む緩衝材を備えるようにした。本発明によれば、主接点投入時における電磁石の固定鉄心と可動鉄心との摩耗と衝撃を緩和しながらも、小型化し得る接触器を実現できる。【選択図】図２

Description

本発明は、電磁石を使用した接触器に関する。

接触器は、電動機等の電力機器の起動及び停止のために、電力回路を開閉する電力機器であって、例えば鉄道車両に用いられる。接触器では、主接点の投入時に使用している電磁石に用いる鉄心間に物理的な接触が発生する。この物理的接触によって鉄心には磨耗と衝撃が発生するため、この磨耗及び衝撃を軽減する仕組みが必要となる。

例えば、特許文献１には、コイルを巻回しケースに固定された固定鉄心と、この固定鉄心に対向しコイルの励磁により接触する可動鉄心とを備え、固定鉄心と可動鉄心との接離により通電または遮断を行う電磁接触器において、固定鉄心及び可動鉄心の対向部分に絶縁性セラミックス膜をコーティングすることが開示されている。

特開平５−２８２９８４号公報

本願発明者が、固定鉄心と可動鉄心の物理的接触による摩耗と衝撃を軽減しつつ、接触器を小型化することについて鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

特許文献１に係る接触器では、可動鉄心が励磁され、固定鉄心と接触することで発生する鉄心の摩耗を防止することができるものの、固定鉄心に可動鉄心が接触する際の衝撃に対処することは困難である。

一方、固定鉄心と可動鉄心との間に緩衝材を介在させて衝撃を緩和しようとしても、緩衝材の介在によって、鉄心吸着時に空隙が生じることにより、電磁石の吸引力が低下してしまうため、電磁石を大型化してしまうという課題がある。

そこで、本発明は、主接点投入時における電磁石の固定鉄心と可動鉄心との磨耗と衝撃を緩和しながらも、小型化し得る接触器を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため本発明においては、電磁石の固定鉄心と、操作部の可動鉄心との間に、磁性体を含む緩衝材を備えるようにした。

本発明によれば、主接点投入時における電磁石の固定鉄心と可動鉄心との摩耗と衝撃を緩和しながらも、小型化し得る接触器を実現できる。

接触器を備える交流鉄道車両の駆動システムを示す回路図である。本実施の形態による接点開放状態における接触器の概略構造を示す概念図である。本実施の形態による接点投入状態における接触器の概略構造を示す概念図である。本実施の形態による電磁石の吸引力特性図である。本実施の形態による固定鉄心間及び固定鉄心・可動鉄心間の距離の関係を示す概念図である。他の実施の形態による緩衝材の配置箇所を示す図である。

図１に、交流鉄道車両の駆動システムの一例に係るブロック図を示す。駆動システムは、本発明に係る接触器を備える。駆動システム１は、鉄道車両が走行する際に、単相交流電源である変電所と接続される架線２から単相交流電力を集電装置３によって取り込み、遮断器４を閉状態とすることで変圧器５へ電流を流し、架線２の架線電圧を変圧器５によって降圧する。変圧器５の入力側の１次巻線は、一端が事故電流等の大きな電流を遮断する遮断器４と接続し、他端はレールに接する（接地する）車輪に接地ブラシ６を介して接続する。

変圧器５の出力側の２次巻線は、一端が接触器２０を介して単相コンバータ９の交流入力端（ｕ相）に接続され、他端が単相コンバータ９の交流入力端（ｖ相）に接続される。接触器２０と並列に補助接触器７及び充電抵抗器８が接続される。なお変圧器の入力側は上位で高電圧が印加されており、出力側は降圧されるため入力側より低い電圧が印加される。

接触器２０は、電力機器の起動及び停止のために電力回路を物理的に開閉し、接触器２０より電位的に下位の（図１において右側に配置されている）機器を切り離す機器である。なお接触器２０の高電位側をＡ端、低電位側をＢ端とする。また、フィルタコンデンサ１０を充電するための補助接触器７及び充電電流を抑制する充電抵抗器８は直列に接続される。フィルタコンデンサ１０が充電されると、接触器２０は閉状態となり、単相コンバータ９及び３相インバータ１１が鉄道車両を駆動させる電動機１２の制御を開始する。なお、単相コンバータ９の直流出力端には、フィルタコンデンサ１０及び３相インバータ１１の直流入力端が接続される。また、３相インバータ１１の交流出力端には電動機１２が接続される。

また接触器２０は、図２に示すように、主接点２３、操作部２６、電磁石３１及び制御装置３３を備えて構成され、接触器２０より電位的に下位の機器である単相コンバータ９、３相インバータ１１及び電動機１２を監視する制御装置３３からの情報に基づいて制御される。

この制御装置３３は、フィルタコンデンサ１０が充電され、接触器２０より電位的に下位の機器に異常がないことを確認すると、電源３２を介して電磁石３１に所定値以上の電圧を印加する。電磁石３１は、所定値以上の電圧が印加されると図３に示すように、操作部２６を吸引する。この操作部２６は、電磁石３１に吸引されることで、主接点２３を閉状態とする。

接触器２０は、主接点２３が閉状態となると接触器２０より電位的に下位の機器に電流を供給する。電磁石３１に印加される電圧が、所定値より小さい場合、電磁石３１の吸引力が弱まり、可動鉄心２７に設けられた復帰用のバネにより主接点２３は開状態となり、接触器２０より電位的に下位の機器には電流は供給されない。

主接点２３は、内部が真空の真空インタラプタ２２に封入された互いに対向する固定主接触子２１及び可動主接触子２４によって構成される。固定された固定主接触子２１に操作部２６と連動する可動主接触子２４が接触することで、主接点２３は閉状態となる。

操作部２６は、主接点２３の開閉状態を操作する部位であって、絶縁継手２５及び可動鉄心２７から構成される。絶縁継手２５は、例えばその表面がポリエステル樹脂で覆われており、高電圧が印加される主接点２３側の回路と、低電圧が印加される電磁石３１側の回路とを電気的に遮断する。可動鉄心２７は絶縁継手２５に接続されており、絶縁継手２５を介して可動主接触子２４と連動する。

電磁石３１は、円筒状のボビンにコイルが巻回された励磁コイル３０及び励磁コイル３０に固定された固定鉄心２９から構成される。励磁コイル３０は電源３２に接続され、励磁コイル３０を介して電磁石３１には電圧が印加される。励磁コイル３０は電圧が印加されると励磁し、固定鉄心２９を介して、可動鉄心２７を電磁力によって吸引する。

そして可動鉄心２７及び固定鉄心２９間には、可動鉄心２７及び固定鉄心２９の接触面と、２つの固定鉄心２９間とを覆うように緩衝材２８が設けられる。この緩衝材２８は、可動鉄心２７が吸引され、固定鉄心２９に接触する際の衝撃を和らげる。この緩衝材２８は、衝撃を和らげるために主材料を樹脂などの低弾性体とする必要があるが、可動鉄心２７及び固定鉄心２９間に樹脂材を設けると、主接点２３投入時の可動鉄心２７及び固定鉄心２９間の空隙が増すため磁気抵抗が増加し、このため電磁石３１の吸引力が低下する。なお緩衝材２８は例えば固定鉄心２９に配置される。

そこで本接触器２０では、緩衝材２８に樹脂を主材料として採用することで耐衝撃性を確保しつつ磁性体を含ませることにより、主接点２３投入時の可動鉄心２７及び固定鉄心２９間の磁気抵抗の増加を抑制し、電磁石３１の吸引力を維持する。例えば磁性体は、電磁軟鉄、構造用炭素鋼、鋳鋼、フェライト及びケイ素鋼板などの強磁性材料の何れか１種とする。なお走行中の車両の振動を受ける環境下で接触器２０は使用されるため、接触器２０に使用する部品には振動で脱落しないものが採用されることは言うまでもない。

（２）本実施の形態の効果
以上のように本実施の形態の接触器２０では、緩衝材２８に樹脂を主材料として採用することで衝撃緩和もしくは衝撃吸収性を確保しつつ磁性体を含ませることで磁気抵抗の増加を抑える。可動鉄心２７及び固定鉄心２９間の距離を８ｍｍとして電磁石３１の吸引力特性を示した図４に示すように、緩衝材２８を樹脂材のみとした場合はグラフ３５のように、主接点２３の投入直前時（可動鉄心の移動量が８ｍｍとなる直前）に吸引力１２００Ｎ程度となる。これに対して、緩衝材２８に磁性体を含ませた場合はグラフ３６のように主接点２３の投入直前時（可動鉄心の移動量が８ｍｍとなる直前）に吸引力１５００Ｎ程度となる。

従って、本接触器２０によれば、衝撃緩和もしくは衝撃吸収性を確保しつつ電磁石３１の吸引力を維持でき、接触器２０及び接触器２０の周辺機器に可動鉄心２７及び固定鉄心２９によって生じる衝撃による悪影響を与えることが少なくなり、接触器２０の小型軽量化をすることができる。

また可動鉄心２７及び固定鉄心２９により生じる衝撃によって主接点２３で投入時に発生するチャタリングは、主接点２３にアークを発生させる。このアークによって主接点２３は炭化し劣化する。可動鉄心２７及び固定鉄心２９によって生じる衝撃を抑えることで、主接点２３で投入時に発生するチャタリングを抑制し、主接点２３の劣化を抑え、接触器２０の耐久性を高めることができる。

また可動鉄心２７及び固定鉄心２９により生じる衝撃を抑えることで、主接点２３の機械的疲労を軽減することができ、接触器２０の耐久性を高めることができる。

また電磁石３１の吸引力が増すため、励磁コイル３０に巻かれるコイルの巻回数を少なくすることができ、励磁コイル３０の小型軽量化ができ、このことによっても接触器２０の小型軽量化が可能となる。電磁石３１の吸引力が増加すると、励磁コイル３０を励磁するための電流（以下、これをコイル励磁電流）も少なく済み、接触器２０はより小さい電圧での動作が可能となる。

車両走行中は、本接触器２０の投入状態を維持するために、コイル励磁電流を流す必要があるが、このコイル励磁電流によって励磁コイル３０の温度が上昇し、故障などの原因となることがある。コイル励磁電流が少なくなることで、励磁コイル３０の温度上昇を抑えることができ、接触器２０の信頼性を高めることができる。

また可動鉄心２７及び固定鉄心２９により生じる衝撃を抑えることで、この衝撃による衝撃音を抑えることができ、静音性が向上する。なお主接点２３で発生する衝撃音についても同様に抑えることができる。

（３）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、真空中に主接点２３を設ける場合について述べたが、本発明はこれに限らず、空気中に主接点２３を設けてもよくこの他種々の接触器に広く適用することができる。

また上述の実施の形態においては、励磁コイル３０のボビンの形状が円筒状の場合について述べたが、本発明はこれに限らず、励磁コイル３０のボビンの形状を四角柱状にしてもよい。

また上述の実施の形態においては、励磁コイル３０がボビコイルの場合について述べたが、本発明はこれに限らず、励磁コイル３０をモールドコイルにしてもよい。

さらに上述の実施の形態においては、操作部２６に回転機構が設けられ、操作部２６がバネによって回転することで主接点２３が開状態に復帰する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、可動鉄心２７に設けられたバネによって主接点２３が開状態に復帰するようにしてもよい。

さらに上述の実施の形態においては、固定鉄心２９が２つの場合について述べたが、本発明はこれに限らず、固定鉄心２９は３つ以上でもよい。

さらに上述の実施の形態においては、緩衝材２８の厚さが均一の場合について述べたが、本発明はこれに限らず、緩衝材２８の厚さは箇所ごとに異なってもよい。

さらに上述の実施の形態においては、図３及び図５（Ａ）に示すように、主接点が閉状態時に、可動鉄心２７と固定鉄心２９の互いに向かい合う面が平行になる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図５（Ｂ）に示すように主接点が閉状態時に、可動鉄心２７と固定鉄心２９の互いに向かい合う面が平行でなくてもよい。

なお固定鉄心２９間の距離Ｄ１が、可動鉄心２７及び固定鉄心２９間の距離Ｄ２，Ｄ３の和よりも大きくすることで、固定鉄心２９間の磁束のもれを低減することが望ましい。

さらに上述の実施の形態においては、可動鉄心２７及び固定鉄心２９の接触面と、２つの固定鉄心２９間とを覆うように緩衝材２８を設ける場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図６（Ａ）〜図６（Ｇ）に示すように２つの固定鉄心２９間を緩衝材２８で覆わないようにしてもよい。

例えば、図６（Ａ）に示すように単純に２つの固定鉄心２９間は緩衝材２８で覆わないようにしてもよいし、図６（Ｂ）に示すように緩衝材２８の厚さを変更して厚くしてもよい。なお磁性体の含有量が少ないほど、緩衝材２８は衝撃を緩和しやすくなる。また厚さが厚いほど、緩衝材２８は衝撃を緩和しやすくなる。

また、図６（Ｃ）〜図６（Ｅ）に示すように固定鉄心２９の面の幅に対して、緩衝材２８の幅を小さくしたり、緩衝材２８が固定鉄心２９の側部を覆うようにしたりしてもよい。緩衝材２８の断面積が大きいほど磁気抵抗は小さくなり電磁石３１の吸引力は強くなる。振動で脱落しないという観点からは、図６（Ｄ）のように固定鉄心２９に埋め込まれるような配置や図６(Ｅ)のように固定鉄心２９を覆うような配置が好ましい。

さらに、図６（Ｆ）、図６（Ｇ）に示すように、透磁率の違う緩衝材２８，４０を用いて多層構造としてもよい。なお透磁率が高い緩衝材２８を可動鉄心２７側に配置することで電磁石３１の吸引力を強くするようにする。緩衝材４０は磁性体を含まなくてもよいものとする。

さらに上述の実施の形態においては、固定鉄心２９に緩衝材２８が配置される場合について述べたが、本発明はこれに限らず、可動鉄心２７に緩衝材２８が配置されるようにしてもよい。

１……駆動システム、２……架線、３……集電装置、４……遮断器、５……変圧器、６……接地ブラシ、７……補助接触器、８……充電抵抗器、９……単相コンバータ、１０……フィルタコンデンサ、１１……３相インバータ、１２……電動機、２１……固定主接触子、２２……真空インタラプタ、２３……主接点、２４……可動主接触子、２５……絶縁継手、２６……操作部、２７……可動鉄心、２８……緩衝材、２９……固定鉄心、３０……励磁コイル、３１……電磁石、３２……電源、３３……制御装置、３５，３６……グラフ、４０……緩衝材。

Claims

主接点を構成する固定主接触子及び可動主接触子と、
可動鉄心を有し、前記可動主接触子と連動する操作部と、
前記可動鉄心を電磁力により吸引する固定鉄心を有する電磁石と、
を備え、前記電磁石への電圧印加により前記主接点を開閉する接触器において、
前記固定鉄心と前記可動鉄心との間に、磁性体を含む緩衝材を備えることを特徴とする接触器。
請求項１記載の接触器において、
前記固定鉄心が前記緩衝材を備えることを特徴とする接触器。
請求項１乃至２のいずれか１項に記載の接触器において、
前記固定鉄心の可動鉄心側の全面に前記緩衝材を備えることを特徴とする接触器。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の接触器において、
前記電磁石が複数の前記固定鉄心を有し、複数の当該固定鉄心の間の少なくとも一部が前記緩衝材で覆われていないことを特徴とする接触器。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の接触器において、
前記緩衝材の厚さが異なることを特徴とする接触器。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の接触器において、
前記固定鉄心に前記緩衝材の一部が埋め込まれていることを特徴とする接触器。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の接触器において、
前記緩衝材が樹脂材からなることを特徴とする接触器。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の接触器において、
前記緩衝材が透磁率の違う前記緩衝材の多層構造であることを特徴とする接触器。